水源熱泵系統的水問題研究

王朝華

(河北省保定水文水資源勘測局,河北保定 071000)

水源熱泵系統是根據可逆卡諾循環原理,利用地溫能源,冬天采用熱泵技術原理,通過熱交換將地下水的熱量提出用于室內采暖,而夏天則利用地下水帶走熱量,達到制冷效果,具備了為建筑物冬季供暖、夏季制冷和 24小時提供熱水的“三聯供”功能。由于水源熱泵系統通過地下水進行吸放熱,減小了空調系統對地面空氣污染,符合當前可持續發展的要求。

采用水源熱泵系統提供冷熱源,系統不消耗水資源,只是采用地下水作為熱泵機組提取地下恒溫能量的傳導介質。項目用水采用“抽灌分離”的循環用水,地下水通過抽水井提取進入熱泵系統,經過熱交換后又從回水系統通過回灌井回灌到地下,整個用水過程為封閉循環用水,地下水除了溫度外與外界不發生物質交換[1][2]。

1 水源熱泵系統的工作原理

在冬季制熱模式下,高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機排出后進入冷凝器,冷凝過程中釋放熱量而冷卻成高壓液體,釋放的熱量用來供暖,高壓液體經膨脹閥進行節流膨脹成為低壓液體,再進入蒸發器,蒸發為低壓蒸汽,蒸發過程中吸收地下水中的熱量。低壓制冷劑蒸汽又進入壓縮機,壓縮成高溫高壓氣體。如此循環,達到冬季采暖的目的。在此過程中,溫度降低的地下水,又不斷回灌到取水含水層[3]。

在夏季制冷模式下,高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機出來后,進入冷凝器,向地下水中釋放熱量而冷卻成高壓液體,致使地下水的溫度升高,高壓液體經節流膨脹閥成為低壓液體,進入蒸發器后轉變為低壓蒸汽,吸收空氣(水)中的熱量,達到室內制冷的目的。將室內的熱量釋放到抽出的地下水中,以達到調節室內溫度的目的。在循環的過程中,地下水的溫度升高后,不斷回灌到取水含水層[3]。

從水源熱泵空調系統的工作原理來看,它實現了三重循環,其一是建筑物空調系統的水循環,其二是熱泵機組內部壓縮機系統的循環,其三是地下水的循環[3]。水源熱泵系統的工作原理見圖 1。

圖1 水源熱泵系統的工作原理圖

2 水源熱泵系統水問題及其解決途徑

水源熱泵這一技術自從上世紀 90年代開始應用于國內的空調工程領域,目前該項目在一些地區發展比較迅速,國家建設部也已開始正式推廣該項技術,北京等地區已出臺了專門政策來鼓勵和推廣該項技術的應用。在水源熱泵系統建設項目水資源論證和在設計水源熱泵空調系統時,普遍存在對地下水水源和水環境影響考慮不夠,主要存在著以下幾方面問題。

2.1 回灌堵塞問題

地下水回灌是水源熱泵空調系統中很重要的技術問題,它直接影響水源熱泵空調系統能否良好的運行和地下水資源是否浪費。水源熱泵空調系統采用的回灌方式因不同地區的水文地質條件的差異而不同,應因地制宜,選擇不同的回灌方式。地下水難以實現完全回灌主要是因堵塞而引起的。回灌井的堵塞原因可以歸納為下面六種情況。

2.1.1 懸浮物堵塞

回灌水中的懸浮物含量過高會堵塞多孔介質的孔隙,從而導致井的回灌能力不斷減小,直至無法回灌。這是回灌井堵塞種最常見的情況。因此通過預處理控制回灌井中懸浮物的含量是防止回灌井堵塞的首要方法。在回灌灰巖含水層的情況下,控制懸浮物在 30mg/L以內是一個普通認可的標準。

2.1.2 微生物生長堵塞

在適宜的環境下,回灌水中的或當地的微生物可能在回灌井周圍迅速繁殖,形成生物膜而堵塞含水層介質的孔隙,降低了含水層的導水能力,以致于造成堵塞。通過去除水中的有機質或者進行預消毒殺死微生物可以防止生物膜的形成。在采用氯進行消毒的情況下,典型的余氯值為 1～5 mg/L。

2.1.3 化學沉淀

當回灌水的水質(包括水溫)在循環回路中發生改變時,可能會與含水層中的地下水發生某些化學反應。在地下水硬度較高地區,易產生 Ca、Mg沉淀在井壁、泵頭及井孔周圍空隙中,使回灌量減少以至停灌。在地下水中還原性二價鐵較高的地區,一旦在地下水回路中遇氧氧化,也會形成沉淀附著在回灌井的過濾器上,造成回灌井的堵塞。在碳酸鹽地區可以通過加酸來控制水的 pH值,以防止化學沉淀的生成。

2.1.4 氣泡堵塞

回灌水在地下水回路中流動的情況下,可能產生或攜帶大量的氣泡,同時,水中溶解的氣體可能因溫度壓力的變化釋放出來。也可能因生化反應產生新的氣體。生成的氣泡在潛水含水層中不會造成太大的問題,可自行溢出,但在承壓含水層中,很容易造成回灌井過濾器周邊含水層介質孔隙的堵塞。因此,在承壓含水層中,除防止注入水挾帶氣泡之外,對其他原因產生的氣體應進行特殊處理。

2.1.5 粘粒膨脹擴散堵塞

這也是一種化學反應形成的堵塞。回灌水中的離子和含水層介質中粘土顆粒上的陽離子發生交換,從而導致粘粒的膨脹和擴散,含水層介質的孔隙度變小,造成回灌量的衰減。由這種原因引起的堵塞,可以通過注入 CaCl2等鹽來解決。

2.1.6 含水層顆粒重組

當回灌井與抽水井輪換的情況下,反復抽灌可能引起井壁周圍細顆粒的重組,形成含水層的堵塞。這種堵塞一旦形成,很難處理。因此在這種情況下,回灌井用作抽水井的頻率不易太高。

鑒于水源熱泵回灌井的堵塞方式較多,防止回灌井堵塞的方法因各地區的地質條件、水文地質條件的不同而不同。因此,在設計水源熱泵空調系統時,應因地制宜,選擇不同的回灌方式。

2.2 熱污染問題

當水源熱泵地下水循環回路中的地下水回灌時,其溫度較本底值或高或低,從而對地下水水質產生影響。目前,水源熱泵空調系統的應用基本上沒有考慮地下水溫度變化對地下水水質的影響。在以后的工作中,應充分論證水源熱泵空調系統對地下水環境影響的潛在的可能性。

目前,部分水源熱泵空調系統商家采用回灌水質與抽取水質比較的方法,對回灌水的水質進行了監測論證,認為水源熱泵不會對地下水環境產生影響。實際上,在運行水源熱泵空調系統時,地下水是作為貯存熱量的介質使用的,它通過封閉的管道,僅僅被吸收和接受熱量后,立即被回灌,其間既不與其它物質發生化學作用也不在空氣中暴露,所以得出的結論是不會對地下水質產生影響,這種論證方法顯然有不妥之處。

在利用淺層地能時,可能構成的污染主要是地下水利用后的回灌水由于溫度較高而引起地下水的熱污染。溫度對物理過程和生物過程有重要的影響,從而對水質產生影響,一般來說,在土壤中有極嗜冷菌、嗜冷菌、嗜熱菌、極嗜熱菌等菌類,這些菌類對溫度和溶解氧十分敏感,地下水中溫度增高時,溶解氧的濃度會降低,影響地下水中細菌的同化作用,導致地下水生態平衡的破壞。

目前,在國內外還沒有明確的關于熱污染的地下水溫度排放標準,對這一方面的研究成果也極少。在美國,已把熱排放標準訂入法律,對于地下水,排放的溫度僅容許相差5℃。在國內沒有相關的法律或管理措施,因此,在運用水源熱泵空調系統時,應加強監測地下水的污染指標,以防止地下水產生熱污染。

2.3 腐蝕和水質問題

腐蝕和生銹是地下水源熱泵遇到的普遍問題之一。地下水的水質是引起腐蝕的主要因素。為此,國內外學者對地下水的水質做了分析,提出了水質的基本要求：澄清、水質穩定、無腐蝕、不滋生微生物或生物、不結垢等。地下水中對熱泵機組的有害成分有鐵、錳、鈣、鎂、二氧化碳、溶解氧、氯離子、酸堿度等。

2.3.1 腐蝕性

溶解氧對金屬的腐蝕性隨金屬而異。溶解氧的含量越高,對鋼鐵的腐蝕性就越強。當水中的氧和二氧化碳含量較高時,銅的腐蝕速率也會加快。水中游離二氧化碳濃度的變化,影響碳酸鹽的結垢。氯離子的濃度過高,會引起系統管道的局部腐蝕。

水的 pH值應為 6.5～8.5,否則應設有相應的水處理設備。

2.3.2 結垢

水中的鈣鎂離子易在換熱器表面上析出沉積,形成水垢,嚴重影響換熱器的換熱效果,從而影響熱泵機組的運行效率。地下水中的二價鐵離子易在換熱器表面上凝聚沉積,促使碳酸鈣的沉淀作用,加劇水垢的形成。二價鐵離子遇氧氧化,在堿性條件下形成易形成氫氧化鐵絮狀物沉積而阻塞管道,影響機組的正常運行。

水源 CaO含量應 ＜200 mg/L,以避免水結垢;水礦化度＜350mg/L時,可以不加板式換熱器,當礦化度為 350～500 mg/L時應安裝不銹鋼板式換熱器,當礦化度 ＞500mg/L時應安裝抗腐蝕性強的鈦合金板式換熱器。

2.3.3 混濁度和含砂量

地下水的混濁度高會在系統中形成沉積,阻塞管道,影響機組的正常運行。地下水中較高的含砂量會對機組管道和閥門造成磨損,并加快鋼材的腐蝕速度,嚴重影響機組的使用壽命。

通過分析,當水中含沙量較高時(含沙量 ＞1/20萬),可在水源水管路中設置旋流除砂器或沉淀除砂池,以避免機組和管路磨損和堵塞;當混濁度 ＞20mg/L時應安裝凈水器加以過濾。

2.4 地面沉降問題

在設計水源熱泵空調系統和進行水資源論證時,應充分考慮地下水位變化、抽灌井的井距對建筑物沉降的影響。

地面沉降是多種因素綜合作用的結果,既有自然因素也有過量開采地下水和大規模城市建設等人為因素。水源熱泵空調系統在大規模應用時,可能發生地下水位變化引起的地面沉降。可能發生的地面沉降方式主要有兩種：

(1)在大面積推廣此系統時,未能實現地下水的完全回灌,造成深層承壓水資源的嚴重浪費,以致于抽灌場地及其周邊的地下水位降低,粘土層釋水壓密而造成地面沉降。

(2)抽灌井井距過短,抽灌井較大的水位差形成較大的地下水流速,含水層中細顆粒介質被水流攜帶而出,含水層中的介質坍塌重組而造成地面沉降。

對于水源熱泵系統,井的布局是至關重要的,因為井群的建筑具有不可改動性,而井群的正常運行對于水源熱泵系統的作用又是非常重要的。首先要根據當地的水文地質資料,確定所取含水層、機井深度。要防止地表污水通過抽水井和回灌井污染地下水。為延長井的使用壽命,抽水井和回灌井要采用抽灌輪換方式設計。

3 結語

重點探討了水源熱泵系統中存在的回灌堵塞問題、熱污染問題、腐蝕和水質問題和地面沉降問題,并給出了具體的解決辦法。這些問題中以回灌堵塞問題最為突出,設計和建設過程中應給予高度重視,重點解決,保證水源熱泵系統長久穩定的運行。

[1]劉興中.范 新.水源熱泵系統介紹[EB/OL].2008.2.http：//www.zhilcng.com.2003.

[2]李先瑞.水源熱泵—一種經濟、節能、可靠的空調能源方式[EB/OL].2008.2.http：//www.zhilcng.com.2003.

[3]水源熱泵系統的組成[EB/OL].2008.2.http：//www.zhilcng.com.2004.